CN105556725B - 带框架的膜电极接合体、燃料电池用单元电池以及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

一种带框架的膜电极接合体，其具有：膜电极接合体(2)，该膜电极接合体(2)具有利用一对电极层(12、13)夹持电解质膜(11)而成的结构；树脂制的框架(1)，其设置在膜电极接合体(2)的周围，框架(1)具有：开口部(1A)，该开口部(1A)用于配置膜电极接合体(2)；台阶部(1B)，其沿着开口部的周缘形成；内周缘部(1C)，其由于台阶部(1B)而偏置于框架的单面侧，且构成为膜电极接合体(2)的外周缘部接合于内周缘部(1C)的与偏置侧相反的一侧的面的结构，在框架(1)中，作为与膜电极接合体(2)接合的接合部分的内周缘部(1C)的厚度与主体部分的厚度大致相等且在台阶部(1B)处变为厚壁，能够确保针对厚度方向的力的强度，从而防止框架(1)的破损。

Description

带框架的膜电极接合体、燃料电池用单元电池以及燃料电 池堆

技术领域

本发明涉及一种应用于固体高分子型的燃料电池的带框架的膜电极接合体，并且涉及使用该带框架的膜电极接合体的燃料电池用单元电池以及燃料电池堆。

背景技术

作为该种膜电极接合体，以燃料电池用带树脂框的电解质膜·电极构造体的制造方法的名称记载于专利文献1。对于专利文献1所记载的带树脂框的电解质膜·电极构造体而言，在其外周处设为除去了阳极电极的状态而使电解质膜暴露。另外，在树脂制框构件的内周设置有与阳极电极的厚度相当的薄壁状的内周突部和在阴极电极侧沿着厚度方向突出的树脂突起部。而且，带有树脂框的电解质膜·电极构造体利用粘接层将树脂制框构件的内周突部与暴露的电解质膜相接合，之后，使树脂突起部加热熔融并浸渍于阴极电极的气体扩散层，从而构成为在气体扩散层内形成有树脂浸渍部的结构。

专利文献1：日本国特开2013-131417号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，上述那样的以往的带框架的膜电极接合体(燃料电池用的带树脂框的电解质膜·电极构造体)是将设置于框架(树脂制框构件)的薄壁状的内周突部与膜电极接合体(电解质膜·电极构造体)接合而成的结构，因此，例如存在如下问题：若在阳极气体和阴极气体之间产生压差，则使得框架以在厚度方向挠曲的方式变形，而反复如此有可能会使框架的内周突部发生破损，所以解决这样的问题成为了课题。

本发明是着眼于上述以往的课题而做成的，其目的在于提供一种能够针对作用于厚度方向的力确保足够的强度、能够防止框架的破损的带框架的膜电极接合体。

用于解决问题的方案

本发明的带框架的膜电极接合体具有：膜电极接合体，其具有利用一对电极层夹持电解质膜而成的结构；树脂制的框架，其设置在膜电极接合体的周围。所述框架具有：开口部，其用于配置膜电极接合体；台阶部，其沿着开口部的周缘形成且与框架的厚度大小相当；内周缘部，其以由于台阶部而偏置于框架的单面侧的状态在开口部内延伸。而且，带框架的膜电极接合体构成为膜电极接合体的外周缘部接合于内周缘部的与偏置侧相反的一侧的面而成的结构，并将上述结构作为解决以往的课题的方式。

发明的效果

本发明的带框架的膜电极接合体通过采用上述结构，对于框架而言，在使作为与膜电极接合体接合的接合部分的内周缘部的厚度大致等于主体部分的厚度的同时，利用台阶部形成厚壁，因此，针对作用于厚度方向的力能够确保足够的强度，能够防止框架的破损。

附图说明

图1是说明本发明的燃料电池堆的立体图(A)、分解状态的立体图(B)以及表示电池模块和密封板件的立体图(C)。

图2是将构成图1所示的燃料电池堆的燃料电池用单元电池设为分解状态来表示的立体图。

图3是表示用于说明本发明的带框架的膜电极接合体的第1实施方式的主要部件的剖视图(A)、台阶部附近的放大剖视图(B)以及表示输入压差时的产生应力比的图表。

图4是从阴极侧观察到的框架和膜电极接合体的状态的立体图(A)和从阳极侧观察到的状态的立体图(B)。

图5是说明框架的第2实施方式的三视图(A)、说明第3实施方式的三视图(B)以及说明第4实施方式的三视图(C)。

图6是本发明的带框架的膜电极接合体的第5实施方式中的、带框架的膜电极接合体的主要部件的剖视图(A)和表示接合部分的三个例子的各个剖视图(B)～(D)。

图7是说明本发明的第6实施方式的燃料电池用单元电池的剖视图(A)和表示第7实施方式的燃料电池用单元电池的剖视图(B)。

具体实施方式

(第1实施方式)

对于图1所示的燃料电池堆FS，特别是如图1的(B)和图1的(C)所示，该燃料电池堆FS具有：层叠多个单元电池C并一体化而成的至少两个以上的电池模块M和夹装在电池模块M相互之间的密封板件P。图示例的单元电池C和密封板件P均构成为具有大致相同的纵横尺寸的矩形板状。另外，在图1的(C)中，示出了两个电池模块M和一个密封板件P，但实际上层叠了这些以上的数量的电池模块M和密封板件P。

另外，燃料电池堆FS在电池模块M的层叠方向的两端部分别配置有端板56A、56B，在单元电池C的长边侧的层叠端面(图1中的上下表面)设置有连结板57A、57B，同时，在短边侧的层叠端面上设置有加强板58A、58B。各连结板57A、57B和加强板58A、58B具有横跨由电池模块M和密封板件P构成的层叠体A的层叠方向全长的大小，并利用未图示的螺栓与两个端板56A、56B相连结。

这样一来，燃料电池堆FS构成为图1的(A)所示那样的外壳一体型结构，沿着层叠方向对各电池模块M和密封板件P进行限制、加压以将规定的接触面压力施加到各个单元电池C上，从而良好地维持气体密封性、导电性等。另外，图示例的单元电池C在长边侧的相同位置具有电压测量用的外部端子59。与此相对，在图1中，位于上侧的一方的连结板57A具有供各单元电池C的外部端子59进入的狭缝57S，分成了适当数量的连接器能够与外部端子59连接(省略图示)。

如图2所示，单元电池C具有带框架的膜电极接合体2和夹持该膜电极接合体2的一对(阳极侧和阴极侧)分隔件3、4。膜电极接合体2具有利用一对电极层夹持电解质膜而成的结构，在膜电极接合体2的周围具有树脂制的框架1。另外，框架1和两个分隔件3、4均是具有大致相同的纵横尺寸的矩形板状。另外，在后面详细描述框架1和膜电极接合体2之间的接合。

膜电极接合体2通常被称作MEA(Membrane Electrode Assembly)，如图3的(A)中示出的局部所示，具有利用燃料电极层(阳极)12和空气电极层(阴极)13夹持由固体高分子构成的电解质膜11而成的结构。虽然省略了图示，但燃料电极层11和空气电极层13自膜电极接合体2侧分别具有催化剂层和由多孔质体构成的气体扩散层。该膜电极接合体2在将阳极气体(氢气)供给到燃料电极层12的同时，将阴极气体(空气)供给到空气电极层13，从而利用电化学反应来发电。

各分隔件3、4是具有表背翻转形状的金属制的板构件，例如是不锈钢制，能够通过冲压加工而成形为适宜的形状。各分隔件3、4的与膜电极接合体2对应的中央区域在短边方向的截面上形成为波形状。该波形状如图示那样沿着长边方向连续。各分隔件3、4在面向膜电极接合体2的一方的面上，波形山部与膜电极接合体2接触，波形谷部成为阳极气体或者阴极气体的流路。

膜电极接合体2的框架1和各分隔件3、4在短边侧的两端部分别具有各三个歧管孔H1～H3、H4～H6。图1和图2的左侧所示的各歧管孔H1～H3是阴极气体供给用(H1)、冷却用流体供给用(H2)以及阳极气体排出用(H3)，在层叠方向上彼此连通并形成各自的流路。另外，图1和图2的右侧所示的各歧管孔H4～H6是阳极气体供给用(H4)、冷却流体排出用(H5)以及阴极气体排出用(H6)，在层叠方向上彼此连通并形成各自的流路。另外，也可以将供给用和排出用的一部分或者全部的位置关系颠倒。

另外，在框架1和各分隔件3、4的周缘部、歧管孔H1～H6的周围连续地配置有密封构件S。这些密封构件S也作为粘接剂发挥作用，因此，将框架1和膜电极接合体2与分隔件3、4气密地相接合。另外，配置在歧管孔H1～H6的周围的密封构件S用于维持各歧管的气密性，而为了供给与各层间对应的流体，在适合的部位具有开口。

层叠规定数量的上述的单元电池C而形成电池模块M。此时，在邻接的单元电池C彼此之间形成有冷却用流体的流路，并且在邻接的电池模块M彼此之间也形成有冷却用流体的流路。因此，密封板件P配置在电池模块M彼此之间、即冷却用流体的流路内。

密封板件P是对具有导电性的一张金属板进行成形而成的，俯视观察时，是与上述单元电池C大致相同的矩形板状且形成为相同的尺寸，在两个短边侧形成有与单元电池C相同的歧管孔H1～H6。该密封板件P在歧管孔H1～H6的各周围具有密封构件，并且在其周缘部分的整周平行地设置外周密封构件51和内周密封构件52，利用外周密封构件51防止来自外部的雨水等的进入，并且利用内周密封构件52防止在电池模块M之间的流路流通的冷却用流体的泄露。

如上所述，带框架的膜电极接合体2在周围具有树脂制的框架1。如图4所示，框架1具有：中央的矩形状的开口部1A、台阶部1B以及内周缘部1C，并且具有厚壁状的外周缘部1D。开口部1A是用于配置膜电极接合体2的部分。台阶部1B沿着开口部1A的周缘形成，具有与框架1的厚度大小相当的台阶。内周缘部1C与台阶部1B相连续，内周缘部1C以由于该台阶部1B而偏置于框架1的单面侧的状态在开口部1A内延伸。

在这里，如图3的(B)所示，台阶部1B具有与框架1的厚度T1相当的台阶，因此，与台阶部1B连续的内周缘部1C也具有与框架主体相同的厚度T1。另外，台阶部1B形成为如下结构：偏置侧(图3的上侧)的出角部与偏置相反侧的入角部的间隔T2以及偏置侧的入角部与偏置相反侧的出角部的间隔T3均比框架1的厚度T1大。另外，台阶部也可以形成为图3所示那样的曲轴状，也可以如后面说明的图5所示的那样，将台阶部的主体部分与内周缘部1C曲线状地相连续。

与此相反，如图3的(A)所示，膜电极接合体2在外周缘部处设为将燃料电极层12除去了的状态而使电解质膜11的单面暴露。而且，将框架1的内周缘部1C的与偏置侧相反的一侧的面(图3中的下表面)和膜电极接合体2的外周缘部的电解质膜11相接合。该接合使用粘接剂或者粘合剂，并利用这些材料在内周缘部1C和电解质膜11之间形成接合层14。此时，图3的(A)所示的带框架的膜电极接合体2中的、位于内周缘部1C的偏置侧的电极层为燃料电极层12。

另外，在图3的(A)中，在框架1和膜电极接合体2之间有槽状的间隙，该间隙用于吸收框架1的内周缘部1C、膜电极接合体2的外周缘部的尺寸公差，即使没有亦可。另外，在图4中，将接合层14表示为框状，但实际上，是通过丝网印刷、涂覆而设置于内周缘部1C的。

对于具有上述结构的带框架的膜电极接合体2而言，框架1的作为与膜电极接合体2接合的部分的内周缘部1C的厚度T1与主体部分的厚度大致相等，并且台阶部1B是厚壁的，因此，能够针对作用于厚度方向的力确保充分的强度，能够防止框架1的破损。

另外，框架1从主体部分借助厚壁的台阶部1B连续到内周缘部1C为止，因此，能够提高成形性(树脂的流动性)，并且能够提高品质。而且，带框架的膜电极接合体2只需与作为其他零件而成形的框架1相接合就可完成，因此，其结构简单并且每一个的制造周期缩短，实现了低成本化，同时在批量生产性方面出色。

因此，对于具有该带框架的膜电极接合体2的单元电池C、层叠单元电池C而成的电池模块M以及燃料电池堆FS而言，也能够实现结构的简化、低成本化以及耐久性和生产率的提高。

而且，对于使用上述的带框架的膜电极接合体2的燃料电池堆FS而言，为了除去在燃料电极上产生的生成水，有时使阳极气体的供给压力脉冲状地增减。此时，在使阳极气体的供给压力增加时，阳极侧的压力变得比阴极侧的压力大，利用该压差使框架1以向阴极侧挠曲的方式变形，并伴随着供给压力的增减而使框架1反复变形。

与此相对，带框架的膜电极接合体2将框架1的内周缘部1C的处于偏置侧的电极层作为燃料电极层12，换言之，使内周缘部1C偏置于压力较高的阳极侧。由此，对于带框架的膜电极接合体2而言，在框架1向阴极侧挠曲之际，压缩方向的力作用于台阶部1B的阴极侧，因此，如在图3的(C)中作为框架侧所示，与从框架相反侧(阴极侧)输入的压差相比，产生应力比变小。其结果，提高了带框架的膜电极接合体2针对由阳极气体和阴极气体的压差引起的变形的耐久性。

(第2～4实施方式)

图5是表示本发明的带框架的膜电极接合体的框架的其他实施方式的图，是在台阶部1B的至少单面侧设置有加强部的结构。

图5的(A)所示的第2实施方式的框架1在台阶部1B的两个面侧沿着台阶部1B的连续方向以规定间隔具有肋状的加强部1E。

图5的(B)所示的第3实施方式的框架1在台阶部1B的偏置侧的面上沿着台阶部1B的连续方向以规定间隔具有榫状的加强部1F。该加强部1F从台阶部设计到内周缘部1C为止。

与图5的(B)一样，图5的(C)所示的第4实施方式的框架1在台阶部1B的偏置侧的面上沿着台阶部1B的连续方向以规定间隔具有榫状的加强部1G。该加强部1G从台阶部设计到内周缘部1C为止，其上端部形成为曲面，同时在台阶部1B和内周缘部1C之间设置有R，并且整体形成为波形状。

具有上述加强部1E、1F、1G的框架1的台阶部1B、内周缘部1C的强度均进一步提高，能够实现耐久性的进一步提高等。另外，在上述各实施方式中，说明了以规定间隔配置加强部1E、1F、1G而成的结构，但是也能够形成为使这些加强部连续而成的结构。例如，在图2所示的带框架的膜电极接合体2中，为了便于使阳极气体、阴极气体流通，而在短边侧以规定间隔形成多个加强部，能够在邻接的加强部彼此之间形成气体流路。另外，在长边侧形成多个加强部或者连续的加强部，能够抑制阳极气体、阴极气体的旁流。

(第5实施方式)

图6是表示本发明的带框架的膜电极接合体的第5实施方式的图。在图6的(B)～(D)中，构成膜电极接合体2的燃料电极层12从电解质膜11侧起具有催化剂层12A和未图示的气体扩散层。另外，构成该膜电极接合体2的空气电极层13从电解质膜11侧起具有催化剂层13A和气体扩散层13B。

在图6的(B)所示的例子中，膜电极接合体2的外周缘部具有在作为一方的电极层的燃料电极层12没有气体扩散层而使催化剂层12A暴露的状态。而且，构成为在框架1的内周缘部1C和燃料电极层12的催化剂层12A之间具有由粘接剂或者粘合剂构成的接合层14的结构。在该带框架的膜电极接合体2中，通过将内周缘部1C和催化剂层12A相接合，与将内周缘部1C和由多孔质体构成的气体扩散层相接合的情况相比，能够获得较高的接合强度。

在图6的(C)所示的例子中，膜电极接合体2的外周缘部具有使作为一方的电极层侧的燃料电极层12侧的电解质膜11的单面暴露的状态。而且，构成为在框架1的内周缘部1C与电解质膜11的单面之间具有由粘接剂或者粘合剂构成的接合层14的结构。在该带框架的膜电极接合体2中，通过在作为发电领域外的外周缘部处省去燃料电极层12，而使包含高价催化剂的催化剂层12A的需求达到最小限度，从而能够实现进一步的低成本化。

在图6的(D)所示的例子中，与图6的(C)所示的例子一样，膜电极接合体2的外周缘部使成为燃料电极层12侧的电解质膜11的单面处于暴露的状态，并且在框架1的内周缘部1C和电解质膜11的单面之间具有接合层14。另外，膜电极接合体2的外周缘部具有从电解质膜11到达作为另一方的电极层的空气电极层13的连通孔13C。该连通孔13C在电解质膜11的表面开口，并且在空气电极层13的气体扩散层13B的中间具有底部。而且，在连通孔13C的内部填充有用于形成接合层14的材料，从而形成与所述接合层14一体化的固定部14A。

在该带框架的膜电极接合体2中，与图6的(C)所示的例子一样，通过省去外周缘部的燃料电极层12，能够进一步实现低成本化。另外，上述膜电极接合体2形成有陷入空气电极层13的固定部14A，因此，即使在使用由像氟类材料那样难粘接性的材料构成的电解质膜11的情况下，也能够提高电解质膜11和接合层14之间的粘接性，进而能够提高框架1的内周缘部1C和电解质膜11之间的粘接性。

(第6和第7实施方式)

图7是用于说明具有本发明的带框架的膜电极接合体2的燃料电池用单元电池的两例的实施方式的图，是图2所示的单元电池C的长边部分的剖视图。另外，对于与之前的实施方式相同的结构部位，标注相同的附图标记而省略详细的说明。

图7的(A)和(B)所示的单元电池C具有：带框架的膜电极接合体2、夹持该膜电极接合体2的一对分隔件3、4。一对分隔件3、4是阳极侧和阴极侧且像之前的实施方式所说明的那样具有适当的凹凸的表背翻转形状，用于使阳极气体、阴极气体在长边方向(图7中的垂直于纸面的方向)流通。

另外，单元电池C在比框架1的台阶部1B靠外周侧(图7中的左侧)的部分与各分隔件3、4之间具有将双方气密地相接合的密封构件S。该密封构件S与第1实施方式所说明的密封构件S等同且具有弹性。而且，单元电池C构成为利用两个分隔件3、4夹持框架1的内周缘部1C与膜电极接合体2的外周缘部之间的接合部分、以良好地维持双方的接合状态的结构。

而且，对于图7的(A)所示的第6实施方式的单元电池C，在框架1的两个面上，在比密封构件S靠内周侧处，具有分别与各分隔件3、4的电池内表面抵接的突部1Q、1R。这些突部1Q、1R与图5所说明的加强部相同地能够对应膜电极接合体2的短边侧和长边侧以规定间隔形成多个或者连续地形成。

具有上述结构的单元电池C除了利用台阶部1B提高强度以外，还能够利用突部1Q、1R加强框架1，而且，通过使这些突部1Q、1R与各分隔件3、4抵接，能够使在层叠时所赋予的层叠方向的荷重良好地传递。

另外，单元电池C通过使框架1的突部1Q、1R与各分隔件3、4抵接，能够保持密封构件S的厚度恒定，能够防止层叠时各单元电池C的密封功能的偏差。而且，对于单元电池C而言，尤其是在沿着膜电极接合体2的长边侧、即阳极气体、阴极气体的流通方向的部分，突部1Q、1R成为旁流的障碍物，用于促进各气体向发电领域的流通，由此，能够对发电效率的提高有帮助。

对于图7的(B)所示的第7实施方式的单元电池C，在框架1的两个面上，在比密封构件S靠内周侧和外周侧的两方具有与各分隔件3、4的电池内表面分别抵接的突部1Q、1R。这些突部1Q、1R与图5所说明的加强部相同地能够对应膜电极接合体2的短边侧和长边侧以规定间隔形成多个或者连续地形成。

对于具有上述结构的单元电池C而言，除了利用台阶部1B提高强度以外，还能够利用突部1Q、1R加强框架1，另外，能够使在层叠时所赋予的层叠方向的荷重良好地传递。

而且，单元电池C在密封构件S的两侧具有突部1Q、1R，因此，使得保持密封构件S的厚度恒定的功能更加可靠，能够防止层叠时各单元电池C的密封功能的偏差，获得防止膜电极接合体2的长边侧的旁流的功能。

另外，本发明的带框架的膜电极接合体、燃料电池用单元电池以及燃料电池堆的结构并不限于上述各实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内改变各构件的材料、形状、大小以及数量等。

附图标记说明

1 框架

1A 开口部

1B 台阶部

1C 内周缘部

1E、1F、1G 加强部

1Q、1R 突部

2 膜电极接合体

3、4 分隔件

11 电解质膜

12 燃料电极层(电极层)

12A 燃料电极层的催化剂层

13 空气电极层(电极层)

13C 连通孔

14 接合层

14A 固定部

C 燃料电池用单元电池

FS 燃料电池堆

S 密封构件

Claims (9)

1.一种带框架的膜电极接合体，其特征在于，具有：

膜电极接合体，其具有利用一对电极层夹持电解质膜而成的结构；

树脂制的框架，其设置在膜电极接合体的周围，

框架具有：开口部，其用于配置膜电极接合体；台阶部，其沿着开口部的周缘形成且厚度与框架的厚度大小相当；内周缘部，其以由于所述台阶部而偏置于框架的单面侧的状态在开口部内延伸，

膜电极接合体的外周缘部接合于内周缘部的与偏置侧相反的一侧的面，

所述框架在所述台阶部处形成为厚壁或者在所述台阶部的至少单面侧具有加强部。

2.根据权利要求1所述的带框架的膜电极接合体，其特征在于，

作为所述内周缘部的偏置侧的电极层是燃料电极层。

3.根据权利要求1或2所述的带框架的膜电极接合体，其特征在于，

所述膜电极接合体的外周缘部具有使构成一方的电极层的催化剂层暴露的状态，

在框架的内周缘部与一方的电极层的催化剂层之间具有由粘接剂或者粘合剂构成的接合层。

4.根据权利要求1或2所述的带框架的膜电极接合体，其特征在于，

所述膜电极接合体的外周缘部具有使作为一方的电极层侧的电解质膜的单面暴露的状态，

在框架的内周缘部与电解质膜的单面之间具有由粘接剂或者粘合剂构成的接合层。

5.根据权利要求4所述的带框架的膜电极接合体，其特征在于，

所述膜电极接合体的外周缘部具有从电解质膜到达另一方的电极层的连通孔，

在连通孔的内部形成有由用于形成接合层的材料形成且与所述接合层一体化的固定部。

6.一种燃料电池用单元电池，其特征在于，具有：

权利要求1～5中任一项所述的带框架的膜电极接合体和用于夹持该带框架的膜电极接合体的一对分隔件。

7.根据权利要求6所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，

在框架的比台阶部靠外周侧的部分与各分隔件之间具有用于将双方气密地相接合的密封构件，

框架在比密封构件靠内周侧处具有分别与各分隔件抵接的突部。

8.根据权利要求7所述的燃料电池用单元电池，其特征在于，

框架在比密封构件靠外周侧处具有分别与各分隔件抵接的突部。

9.一种燃料电池堆，其特征在于，具有：

将权利要求6～8中任一项所述的燃料电池用单元电池层叠多个而成的结构。